생명의 기원 - 폴 데이비스

생명의 기원 - 폴 데이비스 The Fifth Miracle - Paul Davies 천년의 역사는 약 40세대이다. 우리들 각자는 2명의 부모, 4명의 조부모, 그리고 8명의 증조부모를 갖는다. 각 세대를 거슬러 올라가면 조상의 수는 2배로 된다. 이 규칙을 이용하면 우리는 천년 전의 조상으로 2의 40승, 즉 1조명의 조상을 가지게 된다. 이것은 지구상에 살았던 모든 인구보다 훨씬 더 많은 수이다. 11001001000011111101101010100010001000010110100011~ 이것은 정말 마구잡이 서열이지만, π를 이진법으로 50개까지 나타낸 것으로서 이 서열은 거의 정보를 함유하고 있지 않다. 이제 우주가 열역학적 평형에 있지 않기 때문에 정보를 함유한다는 사실을 부정하기 어렵다. 정보는 초기 입력의 일부로서 최초에 그곳에 존재해야만 했다. 우주는 나아가라는 단어로부터 정보나 음의 엔트로피를 저장하게 되었다. 현재 우주는 단지 1비트의 정보(온도)만을 열역학적 평형 상태를 완전히 나타내는데 제공한다. 일정한 온도와 최대 엔트로피에서 열역학적 평형을 이룬다고 생각되는 기체가 중력작용 아래에서는 추가적인 변화를 일으켜서 열이 흐르고 엔트로피가 더 증가하게 만드는 원인이 된다. 별빛의 흐름은 실제 엔트로피와 최대엔트로피의 틈새를 메꾸려는 시도의 한 과정이다. 모든 생명은 중력이 창조한 엔트로피 틈새에서 생겨한 것이다. 생물학적 정보와 질서의 최종 원천은 중력이다. 서평 물리학자가 쓴 생명의 기원에 대한 탐구는 생물학자들과 확실히 다른 시각을 보여 준다. 머리 속에 체득된 수많은 물리법칙의 개념을 가지고, 기본적으로 어떤 이론이 있을 법 한지 아닌지 순식간에 파악하고, 가능성있는 이론에 대해서만 논리를 전개한다. 데이비스의 이 책을 읽어 가면, 기존의 생물학자나 진화론자들이 미처 생각하지 못한 대담한 발상을 보여 준다. 즉 DNA 구조라는 것은 단순히 생물계 내에서만 통용되는 것이 아니고 우주의 일반법칙일 가능성, 우주에도 적용가능하고 증거를 찾을 수도 있다는 가능성을 보여준다. 그래서 현재 우주가 보여주는 정보는 1자리 수에 불과하지만, 아직도 토해낼 정보가 남아있다는 통찰은 신선했다. 실로 엄청난 발상이 아닐 수 없고 책을 따라 읽어 가다 보면 수긍할 수밖에 없을 것이다. 브라이언 그린이 우주의 구조에서 보여준 생명에 대한 언급은 물리학적 결합에 지나지 않는다는 소견이었지만, 같은 물리학자로서 데이비스는 생명에 대한 진지한 접근을 보여주고 있다. 아마존닷컴에서 베스트셀러로 꼽혔던 책을 다시 읽으면서 과거에 놓쳤던 좋은 아이디어를 발견하는 즐거움은 이미 많은 책을 읽었기 때문에 가능했다.

제1장 생명의 의미 가장 오래된 동물의 화석은 오스트레일리아 아델레이드 북쪽의 Flinders Ranges에 존재하는데, 연대가 약 5억 6천만년 된 것이다. Ediacara라고 알려진 그것은 해파리와 비슷한 생물체를 함유하고 있다. 그러나 약 십억 년 전에만 해도 생명은 단세포 생물로 제한되어 있었다. 자연의 법칙은 단독으로는 어떻게 생명이 시작되었는지 답할 수 없는데, 원자 집단을 정밀하게 처방된 조립 순서를 따르도록 만들 수 있는 법칙은 전혀 존재하지 않기 때문이다. 생명의 특징 - autonomy 자율성은 생명의 중요한 특징이다. reproduction 번식은 역시 중요하다. 그러나 결정이나 잔목 숲의 불과 같은 무생물도 번식할 수 있지만 정작 바이러스들은 그들 스스로 번식할 수 없다. 연속되는 자손은 원본에 대한 단순한 팩시밀리 이상이다. 그것은 복제장치의 복사물도 포함하고 있다. 유전자를 다음 세대로 전달하기 위하여 유전자 자체가 복제될 뿐 아니라 그 방법도 복제되어야만 한다. metabolism 대사과정이 있어야 한다. 화학물질 가공과 에너지 획득을 대사라고 한다. nutrition 영양도 대사와 밀접하게 관련되어 있다. complexity 복잡성이 있어야 한다. 박테리아 같은 단세포 생물도 수백만 가지 성분을 필요로 하는 매우 복잡한 것이다. 생물체의 예측 불가능성을 보장하는 것이 이런 복잡성이다. organization 조직화는 복잡성 그 자체를 의미있게 하는 요소이다. growth and development 성장과 발달, information content 정보함량, hardware/software entanglement 하드웨어 소프트웨어 뒤얽힘 - 핵산은 생명의 소프트웨어를 저장한다. 단백질은 실제의 일꾼이며 하드웨어를 구성한다. permanence and change 영구성과 변화 생명이 정상적인 물리적 법칙을 따르는 평범한 물질 이상의 특별한 구성 성분을 필요로 한다는 믿음이 생기론이다. 과거부터 생명을 공기와 연결하려는 시도가 있었고, 나중에는 혈액이 생명을 주는 물질로 믿었다. 과학적 지식이 증가함에 따라 생명력은 더 세련된 개념들과 결합되었다. 그것이 플로지스턴이나 에테르, 18세기에 이르러 전기가 생명력의 근원으로, 19세기 후반에는 방사능이 전기를 대신하였다. 오늘날 화학의 주제가 유기와 무기로 나뉘고 있다. 알코올, 포름알데히드,요소 같은 유기물질들은 살아있는 생명체로부터 분리된 후에도 생명의 본질을 내포하고, 소금과 같은 무기물질은 말 그대로 정말로 죽은 것이다. 1828년 Friedrich Wohler 뵐러가 무기 물질인 시안산암모늄으로부터 요소를 합성하게 된 것은 생기론자들에게는 충격으로 다가왔다. 생명 자체가 유기물질로 올 필요가 없다는 것이 증명된 것이다. 무엇이 생명을 그렇게 독특하게 만드는가, 무엇이 무생물로부터 생물을 구별하게 만드는가 하는 것은 생명체가 무엇으로 만들어져 있는가가 아니라 그것들이 어떻게 함께 모여서 전체로서의 기능을 가지게 되었는가에 대한 것이다. 신체의 한 세포에서 DNA를 뽑아낸다면 그것은 약 2m 정도 될 것이다. 정말로 큰 분자이다. 지구상의 거의 모든 다른 생물들과, 심지어 곰팡이에서 파리, 박테리아에서 곰까지 생물들은 그들의 DNA 메시지에 따라서 생겨난다. 개개의 DNA는 같은 종 안에서도 서로 다르며 다른 종 사이에서는 더 다르다. 그러나 필수적인 구조 - 화학적 구성, 이중나선 구조는 보편적이다. DNA는 믿기 어려울 만큼 오래된 분자이다. 그것은 거의 35억년 전에도 존재했다. 다른 커다란 유기 분자와 구별되는 DNA의 중요한 성질은 스스로 복제할 수 있는 능력이다. 그 복제에서 실수가 발생하면 그것을 이어받은 생물체의 돌연변이로 드러난다. 다윈주의 진화는 어떤 종류의 생명이 이미 존재해야만 작용할 수 있다. 다윈주의는 가장 중요한 첫 단계, 즉 생명의 기원에 대해서는 전혀 도움이 되지 못한다. 한 숟가락의 흙 속에 만여 종의 다른 종의 박테리아가 10조 마리가 들어 있다(John Holt). 지구상의 미생물의 질량은 약 수백조 톤에 달하며 이것은 눈에 보이는 모든 생체들을 합한 것보다도 더 많은 것이다. 오늘날 우리가 알고 있는 대부분의 박테리아는 산소성이면서 광합성 박테리아이지만 이십억 년 전에는 지구상에 산소가 거의 없거나 존재하지 않았다. 미생물들은 다양한 거주지에서 번성하였으며 알코올을 발효시키고 메탄을 생성하고 황산을 환원하였다. 2장 조류에 대항하여 열역학 제2법칙은 perpetuum mobile 완전기관의 창조를 금지하고 있다. 생물체가 발달을 하거나 번식을 할 때는 질서가 증가한다. 이것은 열역학 제2법칙에 어긋난다. 배아의 성장, DNA 분자의 형성, 새로운 종의 등장 및 전체적인 생물권의 정교화는 질서가 증가하고 엔트로피가 감소하는 예들이다. 환경이 자유 에너지를 공급할 수 있는 한 생물계는 쉽게 엔트로피를 감소시킬 수 있으며, 국부적 주변에서는 질서를 증가시킬 수 있다. 가솔린 연료 기체와 공기의 혼합물이 완벽하게 섞인다 하더라도 최대 엔트로피 상태가 아니다. 두 기체는 더 안정한 물질을 생성하고 열을 방출하여 엔트포피를 증가시키고자 반응하기를 좋아한다. 이런 종류의 깨지기 쉬운 안정성을 가지는 상태를 준안정 상태라고 한다. 생명은 항상 이용할 수 있는 준안정한 자유에너지원을 얻으려고 한다. 준안정한 원천을이용하기 위하여 생물체는 무기 에너지 방출을 막는 활성화 장벽을 극복해야만 한다. 생명은 주위로부터 정보(음의 엔트로피)를 받아 들임으로써 열역학 제2법칙을 통한 붕괴를 회피한다. 실수파국 (Manfred Eiggen) 고등생물은 약 1억 비트의 정보를 저장할 수 있는 약 십만 개의 유전자를 가지고 있는데, 그것들 각각이 복제 실수의 대상이 될 수 있다. 한번 복제당 1억분의 1 이하이면, 실수파국은 면하게 된다. 반대로 훨씬 더 적은 유전자를 가진 박테리아는 많은 실수비율을 가지고도 살아갈 수 있다. 자연은 아이겐의 법칙을 알고 있는 것처럼 보인다. 우리와 같은 세포는 실수비율을 약 10억분의 1로 감소시키지만, 박테리아는 훨씬 높아서 약 1백만분의 1이다. 아이겐의 법칙에 따르면 최초 생물의 게놈이 실수 파국을 피하려면 그 길이가 매우 짧았다는 것을 의미한다. 약간의 모순은, 게놈이 너무 짧다면 그 자신의 복제 기구를 구성하는데 필요한 정보를 충분히 저장하지 못한다. 복잡한 게놈은 믿을만한 복사를 필요로 하며 믿을만한 복사는 복잡한 게놈을 필요로 한다. 구문론적 정보는 단순히 원시 자료이며, 의미론적 정보는 어떤 종류의 전후관계나 의미를 갖는다. 생물학적 정보의 눈에 띄는 특징은 그 자체로 의미가 충분하다는 것이다. 생명을 완전히 설명하자면 단순하게 자유에너지나 음의 엔트로피 원천이라고 확인하거나 생물학적 정보를 제공하는 것만으로는 충분하지 못하다. 생물체의 환경만이 의미론적 정보의 원천이 될 수 있다. 1980년대에 우주의 총에너지는 실제로 영이 될 수 있다는 것이 발견되었고, 따라서 그것이 nothing-for-nothing 무에서 무로이다. 우주가 10의 50승톤의 물질을 함유하면서도 제로 에너지를 가질 수 있는 이유는 이것의 중력장이 음의 에너지를 가지기 때문이다. 우주에서 정보의 자발적 등장은 우주의 엔트로피의 감소와 같기 때문에 제2법칙의 위배이며 기적이 된다. 이제 우주가 열역학적 평형에 있지 않기 때문에 정보를 함유한다는 사실을 부정하기 어렵다. 정보는 초기 입력의 일부로서 최초에 그곳에 존재해야만 했다. 우주는 나아가라는 단어로부터 정보나 음의 엔트로피를 저장하게 되었다. 천문학적 관찰로부터 초기 우주의 정보함량을 알게 되는 것은, 우주 배경복사는 대폭발의 정보를 함유하고 있다. 현재의 열역학적 평형은 새넌 연결을 통하여 최소 정보를 함유하는 최대 엔트로피 상태이다. 단지 1비트의 정보(온도)만을 열역학적 평형 상태를 완전히 나타내는데 제공한다. 제2법칙은 우주 정보의 총함량이 정보를 가지고 있지 않은 초기 우주라는 것으로부터 진화하면서 계속 증가하는 것은 불가능하다는 것을 나타내고 있다. 일정한 온도에서 기체가 담겨있는 플라스크의 경우 기체를 건드리지 않고 그대로 둔다면 전혀 일을 하지 못하고 평형에 남게 된다. 그런데 기체의 질량이 매우 커서 중력이 중요해지는 경우가 있다. 이 계는 불안정해지고, 수축하면서 밀도가 높은 물질 덩이들이 여기저기 축적된다. 덩이들 중심의 수축은 기체를 뜨겁게 만들며, 온도차가 생기고 열이 흐르게 된다. 일정한 온도와 최대 엔트로피에서 열역학적 평형을 이룬다고 생각되는 기체가 중력작용 아래에서는 추가적인 변화를 일으켜서 열이 흐르고 엔트로피가 더 증가하게 만드는 원인이 된다. 그러므로 중력으로 유발되는 불안정이 정보의 원천이 된다. 중력은 게임의 법칙을 근본적으로 변화시킨다. 균일한 기체 구름은 중력 과정을 통해서 내놓을 수 있는 많은 자유에너지를 여전히 가지고 있는 것이다. 성단이나 은하는 그것을 나타내는 많은 정보를 필요로 한다. 아직 잘 알려지지 않는 방법으로 분명히 거대한 양의 정보가 모양을 갖추지 못한 균일한 기체의 조용한 중력장에 비밀스럽게 놓여 있다. 계가 진화함에 따라 기체는 평형으로부터 벗어나고 정보가 중력장으로부터 물질로 흐른다. 이런 중력과정의 결말은 우주에서 실제 엔트로피와 가능한 최대 엔트로피 사이의 틈새가 생긴다는 것이다. 별빛의 흐름은 그 틈새를 메꾸려는 시도의 한 과정이지만 실제로 지구 내부의 화학적 에너지와 열에너지를 포함한 모든 자유에너지의 원천은 그 틈새로부터 생길 수 있다. 그러므로 모든 생명은 중력이 창조한 엔트로피 틈새에서 생겨한 것이다. 생물학적 정보와 질서의 최종 원천은 중력이다. 자기 복잡화 또는 자기조직화 중력은 양자 과정을 통하여 생체분자들에 영향을 미칠 수 있다(Roger Penrose). 생명은 우리의 국부적 생태계에서 최소한 은하까지 확장되는 자기조직화된 계의 차례로 포개어진 위계의 일부이다(Lee Smolin). 정보개념은 생물학과 열역학 뿐 아니라 계산학과 물리학의 여러 분야에 등장하고 있다. 물질의 파동 성질이 파동함수라고 알려진 수학적 방법에 의하여 기술된다. 즉 그 상태의 정보함량을 나타낸다. 상대성 이론에 있어서 입자가 빛보다 빠르게 운동하는 것을 허용하고 있지만, 허용하지 않는 것은 빛보다 더 빠른 정보의 전달이다. 양자역학과 상대성이론은 정보는 국지적인 물리적 양이라기보다는 전체적이라는 것을 암시한다. 3장 진흙에서 나와서 천년의 역사는 약 40세대이다. 우리들 각자는 2명의 부모, 4명의 조부모, 그리고 8명의 증조부모를 갖는다. 각 세대를 거슬러 올라가면 조상의 수는 2배로 된다. 이 규칙을 이용하면 우리는 천년 전의 조상으로 2의 40승, 즉 1조명의 조상을 가지게 된다. 이것은 지구상에 살았던 모든 인구보다 훨씬 더 많은 수이다. 실제로 과거로 가계를 추적하는 어느 순간에 가계는 교차되고 재교차된다. 유전자와 왕가 혈통은 지구 전체로 교차되어 확산되고 우리 모두는 먼 사촌이 된다. 가계도는 과거로 무한대로 퍼져나갈 수도 없고, 일정한 시점에서는 수렴을 해야 한다. 십만년 전에 지구에는 몇 명의 인류 Homo Sapiens만이 존재하였다. 세포의 대사 경로는 근본적으로 같다. 세포가 유전정보를 기록하고 번식하는 방법도 모든 생명에서 공통적이다. 공통 조상에 대한 증거는 물질의 분자적 손대칭성에서도 찾아볼 수 있다. 손대칭성은 chirality 키랄성이라고 한다. 대부분의 유기분자들은 대칭이 아니다. DNA는 오른손잡이 나선으로 감겨있고, 그것의 거울상은 왼손잡이 나선이다. 왼쪽이든 오른쪽이든 모든 살아있는 생물은 똑같은 한 가지 키랄성을 가진다. 실제로 살고 있었던 모든 종들의 99% 이상이 현재는 멸종했다. 미생물의 공생 - A가 B 속으로 들어가서, B가 이기고 A가 죽는다면 우리는 그것을 먹어치운다고 한다. A가 이기고 B가 죽는다면 우리는 그것을 감염이라고 한다. 우연히 무승부가 되고 공존하면, 그것들은 공생관계로 남는다. 시토크롬 c라는 단백질 - 이것은 20가지 아미노산을 약 100개 정도 함유하고 있다. 서로 다른 종에서 얻은 시토크롬c의 아미노산 서열을 비교함으로써 우리는 서로가 얼마나 떨어져 있었는지 진화거리를 추정할 수 있다. 사람의 시토크롬c는 붉은털 원숭이의 것과 단 하나의 아미노산만 제외하고는 모두 같다. 그러나 사람의 시토크롬c와 고래의 것 사이에는 45개의 아미노산이 다르다. 생물의 3가지 구역을 archea 고대세균령, bacteria 진정세균령, eucarya 진핵생물령으록 구분한 선구자는 일리노이 대학의 Carl Woese 칼뵈제이다. 이 3개의 영역은 이미 30억 년 전에 분기되었다. 오스트레일리아의 Pilbara 지역은 가장 덥고, 황폐한 지역으로 지구상에서 인구가 가장 적은 지역 중 하나이다. Mable Bar라는 작은 도시의 서쪽으로 약 40킬로미터 지역에 NorthPole이라는 장소가 있다. John Dunlop이 1980년에 세계에서 가장 오래된 화석을 발견한 곳에서 가까운 곳이다. 이곳에는 스트로마톨라이트라고 하는 흙무더기가 있다. 이 구조는 시아노박테리아 침전물이 광물 알갱이 매트 위에 층층히 쌓여서 방석 모양의 혹을 형성할 때 형성된다. 이곳에서 500킬로미터 떨어진 Shark Bay에서는 지금도 형성되는 것을 볼 수 있다. 스트로마톨라이트는 약 35억년 정도 되었다고 한다. 생물이 암석에 흔적을 남겨 놓을 수 있는 또 다른 더 미묘한 방법이 존재하는데, 그것은 화학적 조성을 변화시키는 것이다. 그린랜드의 Isua에서는 매우 오래된 띠 모양의 철 형성으로 나타났다. 이런 암석의 탄소 함량을 조사해보면 샘영체가 필바라 화석이 생기기 3억년 전에 살고 있었다는 것을 알 수 있다. 최근 캘리포니아의 스크립스 해양연구소의 Gustaf Arrhenius가 이끄는 연구진은 이수아 암석의 탄소 동위원소 비를 연구하는 데 개량된 방법을 사용하여, 이것이 최소 38억 5천만년 전의 것이라는 것을 밝혀 내었다. 과학은 기적을 배척한다. 정확한 것은 몰라도 간단한 화합물에서 생명에 이른느 그럴듯한 화학적 경로를 추정할 수는 있다. 정확한 화학적 서열이 무엇이든 생명은 어떤 종류의 분자 자기조립의 결과로서 형성되었음에 틀림없다. 다윈은 소위 자발적 발생이라는 것을 지지해 준다고 생각되는 어떤 증거도 만날 수 없었다고 하며, 1871년의 편지에서는, 모든 종류의 암모니아, 인산염, 빛, 열, 전기 등을 갖춘 작고 따뜻한 연못을 생명의 발원지로 상상하였다. 1920년대 Alexander Oparin과 영국의 J. S. Haldane은 원시수프의 개념을 언급하였다. 생명이 탄생하기 위해서는 적당한 물질이 포함되어 있고 화학반응을 유도하는 에너지원에 노출되어야 하는 물을 필요로 한다는 주장이 대세가 되었다. 홀데인이 수프의 화학에 초점을 맞춘 반면에 오파린은 세포우선주의자였다. 오파린의 이론은 세포의 물리적 구조가 먼저 생기고 그 속에서 어떤 분자적인 기적이 진행할 수 있는 천연적인 용기를 제공하였다는 것이다. 중수소 발견으로 노벨상을 수상한 미국의 화학자 Harol Urey는 실험실에서 원시수프 이론을 실험하기로 하고, 1953년에 그 일을 시작하였다. 유리는 메탄, 수소, 암모니아의 혼합물로 실험을 시작하면서 Stanley Miller를 고용하였다. 그들의 실험에서 아미노산이 발견되었고, 그 반론들도 많았지만 아미노산을 만든 것은 확실하였다. 복잡한 생체분자의 합성은 열역학적으로 말하면 ‘조류에 대항하는 것’이다. 아미노산이 여러 가지 조건에서 쉽게 생성되기 때문에 이것이 모순같지만, 더 큰 무질서나 엔트로피가 주위로 전달된다면 한 곳에서 질서가 나타날 수 있다. 결정성 고체는 액체보다 더 질서를 가진 원자 배열이며 따라서 엔트로피가 더 작다. 그러나 결정의 형성은 주위로의 열의 방출이 수반되며 이것이 엔트로피를 증가시킨다. 생명의 두 번째 단계 또는 단백질에 이르는 길은 아미노산들이 서로 연결되어 펩타이드라고 하는 분자를 형성하는 것이다. 각 펩타이드 결합이 생성되려면 사슬로부터 물분자가 제거되는 것이 필요하다. 수용성 수프는 분자 해체를 위한 방법은 되지만 자기조립의 방법은 아니다. 벽돌을 쌓을 때 벽돌기둥이 높아질수록 흔들리고 부서지기 쉽다. 마찬가지로 아미노산으로 연결된 긴 사슬도 매우 부서지기 쉽다. 일반적으로 유기물에 열을 가하면 교묘한 기다란 사슬 분자보다는 타르 덩어리를 얻게 될 것이다. 이것은 바베큐를 만들면서도 시험할 수 있다. 열역학 제2법칙의 구속으로부터 탈출하는 한 가지 방법은 열역학적 평형 조건에서 멀어지는 것이다. 미국의 생화학자 Sidney Fox는 아미노산 혼합물을 강하게 가열하여, 물이 수증기로 나간 뒤에 아미노산들이 펩타이드로의 결합이 훨씬 잘 일어났고, 프로테노이드라고 하는 기다란 폴리펩타이드가 만들어졋다. 실제 단백질은 왼손잡이 아미노산만으로 만들어지지만 프로테노이드는 같은 양의 왼손잡이와 오른손잡이 아미노산으로 만들어진다. 단백질은 생명에 필요한 특별한 화학적 성질을 가진 매우 특별한 아미노산 서열로 구성되어 있다. 작은 단백질도 20가지 서로 다른 아미노산을 백여개 이상 함유하고 있다. 이 길이의 분자에서 아미노산을 배열하는 방법은 10의 130승 가지나 된다. ##물론 우연히 형성된 아미노산 배열을 가진 단백질을 이용할 수 있도록 생체가 적응해 왔다면 확률은 아주 높아질 것이다## 생물체에서 발견되는 복잡한 분자들 자체가 살아있는 것이 아니다. 분자는 단지 분자일 뿐이다. 살아있거나 죽었거나 할 수는 없다. 생명은 수백만 개의 분자가 놀랍고도 새로운 방법으로 협동하고 있는 특별한 분자들의 총체적 공동체와 결합된 현상이다. 세포는 정교한 화학적인 수선과 구축메커니즘, 오르막 과정을 유도하는데 필요한 화학적 에너지의 손쉬운 원천 및 조각들을 복잡한 분자로 조립할 수 있는 특별한 성질을 가진 효소들을 갖추고 있다. 또 단백질들은 물분자가 그들의 미묘한 화학 결합을 공격하지 못하도록 방어적인 구형으로 접힌다. 조잡한 기계는 정교한 기계보다 더 튼튼하다. 기계가 더 정교해질수록 구성성분들에 의하여 더 취약해진다. 생명이 화학적 요행에 의하여 형성되었다면, 아미노산이 무작위로 섞여서 단백질 분자가 되어야 하는데, 순순한 우연에 의하여 단밸질이 생성되는 가능성은 10의 40000승분의 1이 된다. 우주에 생명을 가진 행성이 하나만 존재한다면 그것은 우리의 것이 되어야 한다. 요행에 의지하는 것은 최후의 수단으로 생각되어야 한다. 4장 기계 속의 메시지 각 세포는 기술자의 지시서로부터 바로 만들어진 작은 구조로 차 있다. 작은 집게, 가위, 펌프, 모터, 지렛대, 밸브, 관, 사슬 및 심지어 운반장치까지 풍부하다. 자연은 뒤범벅이 된 기초 재료들만을 이용하여 우리가 살아있는 세포라고 부르는 정교한 기계를 구성하는 방법을 발견하였다. 살아있는 세포의 복잡성은 정교한 활동성 수준에서는 도시와 비슷하다. 핵산에 있어서 주위에 자유롭게 떠다니며 운동하고 있는 A, G, C, T가 있다면 A는 T에, C는 G에, T는 A에, G는 C에 맞아 들어가게 될 것이다. 이런 종류의 줗ㅇ복제는 복사기와 비슷하다기보다는 음화를 이용하는 사진과 더 비슷하다. 복제 실수는 자연 선택이 이용하는 세대들 사이의 변이의 원천이 된다. 대장균같은 간단한 박테리아도 1000페이지짜리 책 한 권 분량은 된다. 사람의 DNA는 도서관 하나가 필요할 것이다. 생명은 4-문자 언어의 연속에 지나지 않는다. 생명은 DNA와 단백질 사이에 일어난 서로 이익이 되는 거래의 결과이다. 단백질은 세포벽과 같은 것을 만드는 구성 물질과 화학반응을 감독하고 가속시키는 효소로서도 사용될 수도 있기 때문에 DNA에게는 뜻하지 않는 선물이다. DNA 자료은행의 많은 부분이 단백질을 어떻게 만드는가에 대한 메시지를 저장하는데 사용된다. DNA는 생물체가 필요로 하는 모든 단백질의 요청목록을 가지고 있다. 문자배열이 단백질의 제조법이 되는데 보통 수백 개의 염기쌍으로 구성된다. RNA의 경우 A, G, C, U가 있다. U는 우라실을 나타내는데, T와 비슷하다. mRNA의 경우 DNA로부터 처방을 읽어서 단백질을 만드는 세포의 조그만 공장에 운반한다. 리보솜이라고 하는 이 작은 공장들은 여러가지 RNA와 단백질로 구성된 복잡한 기계이다. 리보솜은 mRNA를 빨아들이는 좁은 홈을 가지고 있는데, 초기 컴퓨터의 펀치테이프와 비슷하다. 지구상의 생물들은 20가지의 아미노산으로 단백질을 만들며, mRNA는 정확한 배열을 기록하고 있어ㅓ 리보솜은 그것들을 바른 순서로 결합시킬 수 있다. 각 특정한 tRNA 분자는 한 종류의 아미노산만을 리보솜 공장에 운반하여 생산라인의 끝 쪽에 전달한다. 단백질 합성이 끝나면 리보솜은 mRNA 테이프로부터 종결 신호를 받고 사슬을 잘라낸다. 생명을 장대한 복잡성에서 이해라려는 것은 단순한 분자의 차원을 넘어서는 것이며, 수준의 위계성 및 대형 조직화와 함께 생물체를 전체로서 생각함을 의미한다. 유전자는 삼차원 공간의 특별한 물체 형태이지만 동시에 어떤 것을 하게 하는 메시지이다. DNA 사다리의 가로대 서열 3개씩이 단백질의 정확한 아미노산 서열을 결정하게 된다. 64개 삼중자를 20개 아미노산으로 번역하는 것은 각 삼중자(코돈)가 아미노산을 지정하는 것을 의미한다. 이 지정을 유전암호라고 한다. 핵산 언어로 쓰여진 암호화 메시지를 아미노산 언어로 바꾸는 것이다. 유전 암호는 지금까지 알려진 모든 생명형태에 공통적이다. 왜 생명은 20가지 아미노산과 4가지 뉴클레오사이드 염기만 사용할 까. 암호가 선생물적 단계 같은 생명의 역사에서 매우 초기 단계에 발생하였다면 4와 20이라는 숫자는 그 단계에 적절한 화학적 이유들을 위한 가장 좋은 방법이었을 수 있다. 아미노산 수가 증가하면 번역 실수의 위험이 증가하는 것이다. 실제 암호는 꽤 임의적인 것으로 보인다. 아마도 그것은 더 이상의 깊은 의미를 가지지 못하고 마구잡이로 채워 들어간 것이 굳어진 우연한 일이었을 것이다. 타스매니아 대학의 Peter Jarvis와 동료들은 보편적 암호가 원자핵 에너지 수준과 비슷한 추상적인 서열을 숨기고 있으며 초대칭이라고 하는 아원자 입자의 미묘한 성질을 포함하고 있을 수도 있다고 주장한다. 유전자료는 그 자체로는 단순한 구문이다. 암호화된 유전 정보의 놀라운 유용성은 아미노산이 그것을 이해한다는 것에서부터 생긴다. DNA 자체는 하드웨어이지만 중요한 특징은 그 재로가 아니라 DNA는 염기쌍으로 적혀진 메시지로 구성된다는 점이다. 0과 1로된 문자열을 들어보자 10101010101010101010101010101010101010101010101010 이 배열의 총정보 함량은 10을 25번 인쇄라는 간단한 문장으로 요약할 수 있다. 즉 반복적인 배열의 정보는 간단한 식으로 압축할 수 있다. 수학에서는 이 서열의 정보를 알고리듬이라고 한다. 컴퓨터 알고리듬은 어떤 결과를 얻어내기 위한 단순한 처방전 또는 기계적 절차에 불과하다. 1과 0의 문자열이 유형이 전혀 없다면, 즉 그것이 마구잡이라면 그것을 나타내는 요약문을 찾을 수 없을 것이다. 11001001000011111101101010100010001000010110100011~ 이것은 정말 마구잡이 서열이지만, π를 나타낸 것으로서 이 서열은 거의 정보를 함유하고 있지 않다. 마구잡이 서열은 정보함량을 간단한 식으로 요약할 수 없기 때문에 정보가 풍부한 서열이라는 것이 분명해진다. 태양의 일식의 경우, 연속된 각 일식 날짜를 이진법으로 적어 놓는다면 마구잡이로 보이는 1과 0의 문자열을 얻게 될 것이다. 일식에 대한 모든 정보, 매년 매달의 지구와 달의 위치에 대한 정보는 짧은 알고리듬에 포함되어 있다. 따라서 지구 태양 달 계는 비교적 정보가 적으며, 심오한 유형과 규칙성을 나타낸다. 게놈이 생물학적 기능이 필요로 할 만큼 정보가 풍부하다면 마구잡이로 이룽져야 한다. 상당량의 정보를 함유하기 위해서는 마구잡이여야 하며 생물학적으로 관련된 정보이기 위해서는 특별하여야 한다. 단순한 마구잡이가 아니라 확정되고, 극도로 특별하고, 예정된 마구잡이 유형이 되어야 한다. 짧은 마구잡이 게놈을 오랜 시간에 걸쳐서 긴 마구잡이 게놈으로 연장시키는 마구잡이 돌연변이와 자연선택은 생물학적 정보를 발생시키는 확실한 길이다. 대부분의 과학자들은 정보 개념이 합리적으로 생물계에 적용되며 그것들이 에너지 같은 자연적 양인 것처럼 기꺼이 의미론적 정보를 다룬다. 과학에는 인간 세상사에서 유도된 개념을 마치 그것이 자연 자체에 존재하는 것처럼 자연 범주에 투영하는 위험이 존재한다. 5장 닭과 달걀문제 DNA는 매우 자랑스러운 긴 수명에도 불구하고 스스로에 대하여 많은 것을 할 수 없는데, 그것은 화학적으로 무력하기 때문이다. 단백질은 그들을 암호화해주는 DNA, 메시지를 전사하는 mRNA, 그것들을 조립하는 리보솜이 없이 만들어질 수 있었는가. 단백질이 이미 존재하고 있지 않았다면 어떻게 DNA, 리보솜 그리고 모든 나머지 장치들이 처음으로 만들어질 수 있었을까? 복잡한 계는 자신을 비가역적으로 의존성 순환에 빠뜨릴 수 있다. 단순하고 조직적이지 못한 시초로부터 다른 방법으로 정교한 기술 순환으로 진화할 수 있다. 그러나 일단 순환이 확립되면 그것은 신속하게 개선된다. 그런 일이 일어나면 원시 기술 흔적은 거의 남지 않는다. 인과 되먹임은 극적인 증폭효과를 가져올 수 있다. 우연히 갑이 을을 개선시킬 수 있는 ㄱ방향으로 개선이 이루어지면 을이 갑을 개선시키고, 이런 식으로 되어 개선이 빨리 증강된다. 1960년대 캘리포니아 라욜라에 있는 솔크연구소의 Leslie Orgel은 RNA가 DNA보다 먼저, 그리고 단백질보다도 먼저 등장했다고 제안했다. 단백질이 존재하지 않는다면 무엇이 효소역할을 하였는지에 대한 답은 1983년 등장하였다. 콜로라도 대학의 Thomas Cech 연구진과 예일대학의 Sidney Altman 연구진은 RNA가 자체적으로 약한 촉매로 작용할 만큼 화학적으로 활성이 충분하다는 것을 발견하였다. RNA 분자는 유전 정보 저장소로뿐 아니라 적당히 삼차원적으로 접히면 촉매로서도 작용한다. 같은 종류 부나 안에 하드웨어와 소프트웨어가 존재하는 것이다. 이 이론은 RNA세계라고 알려지게 된다. Q의 베타바이러스에 대한 실험에서, 일리노이 대학의 Sol Spiegelman은 복제도중 복사실수가 일어난 바이러스를 분석하여, 살아가기 위한 작업에 대한 의무와 단백질 외투를 만드는 것에 대한 필요성에서 해방된 과보호된 RNA 가닥은 가냘퍼지기 시작하여서 더 이상 필요하지 않거나 단순히 장애물이라고 판명된 게놈 부분들으 떼내 버렸다. 74세대 후에 4500 뉴클레오티드 염기로 시작하였던 RNA 가닥이 단지 220 염기의 난쟁이 게놈으로 끝나게 되었다. RNA 세계의 의문점은, 제한된 RNA 세계가 핵산과 단백질이 유전암호로 연결된 현재와 같은 이중체계로 진화하였겠는가이다. tRNA는 시간에 따라서 거의 진화하지 않았다는 점과 tRNA의 역할이 단백질 재료인 적당한 아미노산을 연결시킨다는 점이다. RNA는 단백직을 만들고, 단백질은 더 많은 RNA 생산을 촉진하고, 더 많은 단백질이 생기고 ...등등으로 계속된다. 가장 효과적으로 RNA 복제를 도와주는 단백질은 자신의 수가 증가되는 보상을 받는다. RNA 세계 시나리오가 희망적으로 보이지만, 중요한 반응들은 조심스럽게 고안된 실험 절차와 특별한 촉매의 도움이 없이는 거의 진행되지 않으며, 핵산 사슬은 아주 깨지기 쉬우며 효소로서 작용하는데 필요한 염기쌍인 50개 정도에 도달하기 훨씬 전에 절단되기 쉬운 점을 볼 대, 이 시나리오가 맞을 것같지 않다는 비판이 있다. 지구상의 모든 생물이 똑같은 키랄성에 기반을 두고 있다는 것은 단순한 호기심 이상의 것이다. 과보호된 RNA는 능숙한 복제자가 될 수 있지만, 에너지를 내놓는 대사경로가 적당하게 존재하지 않는다면 그런 풍부한 분자 가닥들은 곧 유전적 탈락자가 될 것이다. RNA 나중설 샌디에고의 스크립스 연구소에 있는 Raza Ghadiri는 작은 펩타이드 사슬들이 실제로 자기복제를 할 수 있음을 발견하였고 복제 실수를 교정까지 할 수 있는 것을 밝혔다. 영국의 소 숫자를 1할이나 감소시킨 광우병 BSE - BSE는 박테리아나 바이러스가 아닌 복제하고 전염될 수 있는 단백질 조각에 의하여 생긴다. 단백질 우선설의 프린스턴 고등연구소에 근무하던 Freeman Dyson은 생명이 두 가지 기원을 가진다고 한다. 단밸질 대사는 할 수 있지만 적절하게 복제를 할 수 없는 것과 복제는 할 수 있지만 대사를 가지지 못한 원시생명이 있었다. 세포는 게놈이 없기 때문에 다윈식 진화를 선택할 수 없지만, 여전히 화학적 수단에 의하여 진화한다. 다이슨 모형에서 중요한 것은 분자들이 다른 분자들의 생성과 돌연변이를 촉매할 수 있다는 가정이다. 글래스고 대학의 MIke Russell은, 화산구로부터 좀 떨어진 대양저의 영역에 초점을 맞춘다. 물이 암석으로 스며들어서 수 킬로미터까지 들어가고, 대류가 일어나서 다시 표면으로 나오면 풍부한 무기물이 녹아있게 된다. 분출되는 물은 염기성이며 매우 뜨거워서 200도에 이른다. 반대로 그 위의 해수는 이산화탄소가 녹아 있어서 산성이며 훨씬 차다. 두 가지 액체들의 접합부는 황화철로 만들어진 콜로이드막의 형성을 촉진한다. 철과 황은 초기생명에 강력하게 연관된 두 가지 화학물질이다. 그는 삼투압과 수압이 기포를 부풀케하고 그것을 쪼갠다고 믿었다. 또 산성-막-유체의 접합부가 건전지처럼 작용하여서 초기 대사를 유도할 내적 동력원을 제공할 수 있다고 한다. Graham Cairns Smith는 핵산이 일차적으로 소프트웨어로 작용하였으므로, 그것들의 특별한 화학적 형태는 상관이 없다고 주장한다. 그는 점토로부터 핵산이 형성되는 원리를 설명한다. 그는 저급기술에서 고급기술 생명으로의 전환을 나타내기 위하여 석조 아치의 비유를 한다. 아치는 scaffold 비계를 사용하였다는 것이다. 현재 비계는 제거되고 그 후부터 흔적이 없어졌다고 한다. 일단 어떤 종류의 생명이 자리를 잡으면 그 다음은 다윈식 진화가 일어날 수 있기 때문에 순조롭게 된다. 생명은 우연한 복잡성이 아니고 조직화되어 있다. 나선형 은하, 무지개, 레이저 광선의 회절무늬 등은 모두 복잡하고 조직화되어 있다. 무생물계가 단지 물리적 법칙만을 따라서 조직화된 복잡성을 자발적으로 만들 수 있다면 시초에라도 그럴 수 있다고 주장하는 사람은 벨기에의 화학자 ILyaPrigogine이다. 자발적인 질서화는 계가 열려 있기 때문에 열역학 제2법칙에 저촉되지는 않는다. 질서 증가를 보상하기 위하여 엔트로피가 주위로 나오게 된다. 컴퓨터 모형은 추분한 성분들과 상호작용을 갖는 모든 그물망이 자발적으로 조지고하된 복잡성 상태로 도약하는 경향이 있다는 것을 보여준다. 물리학자들은 이런 현상을 자기물질을 연구하는데서 보았으며, 경제학자드은 세계금융시장에서 보았다. 생명은 실제로 자기조직화의 예가 아니다. 생명은 실제로 특정화된 조직이다. 대류세포의 질서는 계의 주위에 의하여 외인적으로 주어진다. 반면에 살아있는 세포의 질서는 그 유전자에 의한 내적 조종으로부터 유발된다. 질서와 조직화 사이를 조심스럽게 구별할 필요가 있다. 6장 우주연관성 간단한 통계학에 의하면 우리 신체 중에는 천년 이상 전에 죽은 유기물질에서 1밀리 그램마다 약 1개씩의 탄소가 들어있다. 한 때 예수, 케사르, 부처 또는 보리수 나무에 속했던 원자를 십 억 개 정도 지니고 있다. 많는 성간분자들은 유기분자이다. 일산화탄소가 가장 흔하지만 아세틸렌, 포름알데히드 및 알코올도 흔하다. 우주티끌은 1밀리미터의 천분의 1정도 되는데, 그 조성은, 자외선 복사선, 성풍, 충격파, 우주선과 같은 많은 물리적, 화학적 영향을 받은 결과의 산물이다. 그 속에는 규산질, 얼음, 흑연같은 탄소질 물질 뿐 아니라 많은 유기물도 들어있다. 태양계가 형성될 때, 지구는 여러 물체들과 충돌하면서 만들어졌는데, 그 중 하나의 거대한 덩어리는 지구의 중심까지 헤치고 들어가서 철핵을 만들었다. 목성의 경우 이런 얼음 덩어리들이 모여서 목성의 씨를 만들었고, 지구 질량 10배정도의 임계 크기에 도달하게 되자 급속하게 성장하면서 이의 강력한 중력장은 성운의 넓은 띠에서 잔해물들을 빨아들이거나 소산시키게 되었다. 해왕성 너머 궤도에서는 행성을 만들기에는 미행성체들이 너무 띄엄띄엄 분포되어 있었다. 그 너머에서는 Kuiper belt라는 곳에서 태양 주위를 선회하는 것이 많이 있다. 거대한 외행성의 중력장은 많은 작은 얼음 천체들을 성간공간으로 내던졌고, 나머지는 결국 오르트 구름이 된 곳까지만 내던져졌다. 충돌된 얼음조각들이 지구 지각에 물을 운반했는데, 현재 대양의 몇 배에 해당하는 막대한 양의 물을 운반해 준 것이다. 초기 지구가 가지고 있지 않았던 많은 휘발성 물질들도 물과 함께 왔는데, 그 중에는 생명을 촉진하는 유기물도 들어 있었다. 그 당시에는 지구가 지금보다 훨씬 더 빠르게 자전하였다. 대부분의 지구 충돌의 분화구들은 침식에 의하여 소멸하였다. 그러나 호주에서만 최소한 25개의 충돌자리들이 양성으로 확인되었다. 지구의 충돌기록을 재구성하는 가장 좋은 방법은 달을 연구하는 것이다. 1986년에 우주선 지오토가 핼리혜성에 접근했을 때, 탄소, 수소, 질소 및 황을 함유하는 타르형의 검은 핵을 발견할 수 있었다. 그 우주선 앞 부분 티끌입자중 3분의 1이 유기물질이었다. 벤젠, 메탄올, 아세트산 같은 일반적인 물질 외에 핵산의 구성 단위중 일부도 검출되었다. 때때로 혜성이 태양계 안쪽으로 통과할 때, 그 궤도가 목성이나 다른 행성에 의하여 교란되어 주기적으로 돌아오게 된다. 6500만 년 전에 일어난 우주 충돌의 증거로는, 희귀원소인 이리듐층의 전세계적인 발견이다. 이것은 그 당시의 점토층에 축적되어 있다. 1900년에 멕시코ㅔ서 석회층 아래에 묻힌 당시의 거대한 분화구는 너비가 최소한 180킬로미터 이상이 되어서 직경이 약 20킬로미터가 되는 물체의 충돌 때문에 만들어졌다고 보인다. 38억년 전에 달은 직경이 90킬로미터나 되는 물체와 충돌하여 영국 크기 정도의 거대한 충돌 바닥을 생성하였다. 최근에 발견된 소행성인 카이론은 토성 근처의 불안정한 궤도에 있으며 너비가 180킬로미터에 달한다. 스탠퍼드 대학의 Norman Sleep 의 연구에 의하면, 직경이 500킬로미터인 물체가 충돌하면 너비가 1500킬로미터, 최소한 깊이가 50킬로미터인 구멍이 생긴다. 표면온도는 300도 이상으로 오르고, 대양은 말라버린다. 정상적인 비는 천년 후에야 내리고, 그 후 2000년 동안 억수같은 비가 내려서 결국 대양을 채우게 된다. 생물은 멸종 충돌 효과가 끝나자마자 갑자기 출현하였다. 이것은 생명이 우주로부터 왔거나 일단 조건이 절반정도 갖추어지면 재빠르게 등장한다는 것을 의미한다. 7장 슈퍼박테리아 2마이크론미터 길이의 길쭉한 막대형 박테리아는 하수구 안에서 고체 콘크리트를 먹어치워서 그것을 수주 안에 가루로 만들어 버렸다. 이것은 콘크리트를 먹는 황 막대라는 이름의 Thiobacillus concretivirous라고 명명되었는데, 실험실에서 시험한 결과 황산을 생산하였다. Halobacterium halobioum은 전혀 생명이 존재하지 않으리라 생각되는 사해에 존재하고 있다. 사해는 물이 요르단강을 통해서 흘러 들어온 후 증발하고 염만 남게 되는 곳으로 이 박테리아의 서식지이다. Plectonema는 사람의 손을 심하게 손상시킬 수 있는 알칼리 용액에서 살아간다. Micrococcus radiophilus라는 박테리아는 방사선에도 견딜 수 있다. 대장균 같은 흔한 박테리아도 수백 기압의 압력을 아무런 손상도 받지 않고 견디어 낸다. Streptococcus mitis는 Surveryer 3호 우주선의 카메라집에 붙어서 완전한 진공상태에서 2년을 견디어 냈다. 70도에도 편안하게 살아가는 박테리아가 있다. 퇴비더미, 목초 사일로탑, 가정용 온수통에서도 발견되는 thermophile 고온성 박테리아라고 명명되었다. 이들은 특별히 안전한 단배질을 이용하며 정상적인 지방이 아닌 방열 왁스형으로 만들어진 세포막으로 둘러싸여 있다. 1969년 인디애나 대학의 Thomas Brock은 옐로우스톤 국립공원의 섭씨 80도 온천에 살고 있는 Thermus aquaticus라는 슈퍼박테리아를 발견했다. 1970년대 후반 Woods Hole 해양연구소의 심해탐사선 Alvin은 태평양의 갈라파고스 균열을 따라서 해저를 탐사하였는데, 해저 약 2.5킬로미터에서 온도가 350도까지 올라가는 근처에 게와 tube worm 서관충이 살고 있고, 검은 굴뚝 부근에는 온도가 110도 가까이 되는 분출구에 사는 박테리아를 발견하였다. 이들을 heperthermophile 초고온성박테리아라고 하는데, 20종 가까이 발견되었고, 이들은 모두 고대세균류 박테리아이다. 미생물들은 화산으로부터 나오는 뜨거운 화학 용액으로부터 직접 생체 에너지를 획득하여 일차 생산자 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 유기물질을 섭취하지 않고 직접 자신의 생체량을 만들어내는 생물을 독립영양 생물이라고 한다. 또 빛에너지가 아니라 화학에너지를 이용하는 것을 화학독립영양생물이라고 한다. 지하로 1킬로미터씩 내려갈수록 온도는 20도가 증가한다. 시카고대학의 지질학자 Edson Bastin은 1920년대에 황화수소를 함유하는 유전에서 왜 물이 추출되는지 의문을 품었다. 그는 원유가 저장된 깊숙한 곳에 살고 있는 황 환원박테리아가 기체를 생성한다고 제안했다. 핵저장물의 경우, 과학자들은 미생물이 대수층을 침투하여 지하의 핵폐기물에 도달하여 저장용기를 부식시키고 결국 폐기물을 방출시킬 수도 있다는 것을 깨닫기 시작하였다. 미국 지질조사협회의 Francis Chapelle은 깊은 지하수에서 살고 있는 미생물을 연구하여 철을 분해하는 박테리아가 구멍을 만들고 물의 흐름을 증가시키며 황화물을 생성하는 박테리아는 녹은 철을 다시 침전시켜 구멍을 막는다는 것을 발견하였다. 지하에 있는 생물들은 위에서부터 암석을 통과하여 지하수를 따라서 들어갔을지, 옛날에 최초로 퇴적층이 형성될 때 그곳에 갇힌 것일까, 아니면 반대방향으로 올라오는 중인 것일까. 밀러와 유리는 지구의 원시대기가 환원성 기체로 구성되어 있었다고 가정하였지만, 현재 지질학자들은 이산화탄소와 질소의 혼합물을 더 선호하며 표면 수프설은 성공하지 못한 것으로 보인다. 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 Everett Shock는 심해 열수공 근처의 에너지와 엔트로피 수치를 계산하였다. 해수와 열수공 유체는 평형에서 멀이 위치하기 때문에 더 안정한 상태로 혼합되고 이동하면서 유기화합물 합성을 위한 막대한 열역학적 추진력이 존재한다고 설명한다. 그러나 생명이 뜨겁고 깊은 곳에서 시작되었다는 강력한 증거는 화학이 아니라 유전학으로부터 나온다. 어떤 군의 생물이 오랜 시간 동안에 가장 덜 진화하였으며 따라서 초기 생명과 가장 유사한지를 추론하면, archea 고대세균령을 지적해 준다. 고대세균령 중 일부는 유전적 변화를 축적시키는데 있어서 가장 느린 것으로 두드러진다. 이것들은 Pyrodictium과 Thermoproteus라는 이름을 가지고 있다. karl Stetter와 Susan Barns는 16S rRNA 분석이라는 기술로 분석하여 고대세균령이 가장 아래의 가장 짧은 가지를 고온성 박테리아와 초고온성 박테리아들이 차지한다고 발표했다. 초고온성 박테리아는 단순하고 원시적인 화학회로를 사용하여 특이한 방법으로 탄소를 동화한다. 이들은 화산 주위에서 생기는 온도 변이로부터 보호받기 위하여, 특별한 열-충격 단백질을 이용하고 있다. 이런 단백질은 확산 분출물에 흔한 아연과 몰리브덴 같은 금속을 함유하고 있다. 시간이 지남에 따라서 지구는 생물학의 요구에 들어맞게 변형되고 적응되었다. 슈퍼박테리아들은 황을 수소와 결합시켜서 황화수소를 합성하여 황으로부터 에너지를 얻는다. 황철광은 흔히 바보의 금이라고 하는 것으로서, 황과 결합되어 흔히 발견된다. 독일의 화학자 Gunter Wachterhauser는 황철광을 생물발생을 위한 중요한 촉매로 제안하였다. 황철광은 지금도 화학영양생물인 Thiobacillus ferro-oxidans의 식량이며 철과 황 성분 모두로부터 산화에의하여 에너지를 얻고 있다. 이 것은 구리, 주석, 심지어 우라늄 같은 다른 광물의 황화물까지도 소화할 수 있으며 광물 정제에 상업적으로 이요오디어 왔다. 또 철을 먹는 것은 Gallionella라고 하는데 철이 풍부한 강에 서식한다. 그것은 녹아있는 제일철 염을 녹지 않는 제이철 상태로 만들어서 물을 독특한 녹색깔로 만든다. 황환원박테리아인 Pyrodictium은 110도에서도 생존이 가능한 지하 고온성 박테리아의 조상임을 암시한다. 초고온성 박테리아의 위치는 생명이 반드시 뜨겁고 깊은 곳에서 시작되었다는 것을 의미하는 것은 아니고 단지 지구의 생명이 연속적인 운석 충격에 의하여 만들어진 온도 병목을 통과해야 했다는 것을 의미한다. 혼합영양생물인 녹황박테리아의 경우는 빛을 에너지원으로 하거나 황이나 수소의 환원처럼 화학반응을 에너지원으로 이용할 수 있다. 초기세포들은 거친 암석포식자로서, 물에 녹아있는 이산화탄소와 암석에서 필요한 것을 직접 만들어 냈다. 초기 발달에 있어서 열쇠는 일부 생물체가 화학물질로부터 빛으로 에너지원을 바꾼 것이었다. 태양광을 포획하는 것은 무기물로부터 전자를 뽑아내어 태양광의 광자로 들뜨게 만들어서 저장된 에너지를 유기물질로 만드는 방법을 찾아낸 박테리아에서 본격적으로 시작되었다. 이 정교한 과정의 중요한 성분은 식물을 푸르게 만드는 엽록소이었다. 단지 물, 이산화탄소 및 빛만을 필요로 하게 되면서 널리 이용되게 되었다. 8장 화성은 붉은 죽음의 별인가 화성은 온도는 항상 빙정이하이며 영하 140도가지도 내려간다. 주로 이산화탄소와 아주 적은 흔적의 산소와 질소로 구성된 대기는 매우 얇다. 기압은 7.5밀리바로서 지구에서는 고도 35,000미터에 해당한다. 바라밍 불기 시작하면 시속 650km까지 도달하여 먼지는 50km 높이까지 솟구친다. 우주탐사선에 의한 실험으로, 기체-교환 실험이 있었다. 그것은 영양배지액을 토양 실에 붓고 발생하는 기체를 분석하는 것이었다. 이 단계에서 격렬한 반응이 일어나서 막대한 양의 산소가 방출되고 약간의 질소와 이산화탄소도 방출되었다. 다음은 표지-방출 실험이었다. 이는 양성결과를 나타내었고, 탄소-동화 실험에서 탄소를 흡수하는지 알아보려는 실험이었다. 이것도 양성이었다. 학자들은 일치해서 생명이 없다고 결론내렸다. 화성의 남반구는 거대한 빙하였다는 강력한 증거가 있다. 1911년 이집트의 작은 마을 나클라에서 하늘에서 암석 덩어리가 떨어져 개를 죽였는데, 10년 후 그것은 화성의 조각이라는 것을 알아내었다. 화성의 암석을 SNC라고 하는데, 1980년대 초기에 측정해 보면, 그 나이는 1어8천만 년에서 13억년 사이였다. 화성의 암석을 떼어낸 충격파가 대기층으로부터 암석 안으로 아르곤을 집어넣었음에 틀림없다고 추론했다. ALH84001 David Mittlefehldt, EETA79002 영국이주자들이 토끼를 오스트레일리아에 풀어 놓았을 때 그것들은 생태학적 대파괴를 가져왔었다. 9장 포자범재설 독일의 우주의학연구소 과학자들은 NASA의 장기노출장치를 이용하여 Bacillus subtilis 포자가 진공에만 노출되었지만 2%가 그대로 생존해 있었다. 당분이나 염분이 존재하면 성공가능성은 훨씬 증가되었다. 1969년 9월 28일 오스트레일리아 남동부의 Murchison 마을 근처에 운석이 떨어졌다. Melburne 대학의 John Lovering은 그것이 탄소질 구립운석으로 유기물이 풍부하였고, 독특한 냄새가 났다. 운석 안에서 발견된 수많은 유기물질 가운데 아미노산도 있었다. 지구상 생명체가 우선성 DNA를 만드는데, 그것은 좌선성 아미노산들만을 이용하였다. 화성의 암석이 지구에 도착할 확률 - 화성에서 이탈되는 암석의 7.5%가 지구에 휩쓸리고, 비슷한 정도가 금성으로 가게 된다. 38%는 태양으로, 9%는 화성과 다시 충돌, 나머지 대부분은 목성 쪽으로 간다. 지구로 운반되는 암석의 약 1/3이 천만년 안에도착한다. ALH84001은 1천 5백만년, EETA는 70만년의 측정값을 갖고 있다. 박테리아는 영양분이 결핍되면 천천히 노화하고 대사는 멈추며 크기는 작아지며 번식을 중단한다. 어느 단계에서 지구 생명체가 화성에 도달한다는 것도 필연적이었고, 35~38억년 전 화성의 조건이 지구형 생명체가 번성하기에 적당한 조건이었다는 것은 매우 그럴듯하다. 화성의 생명에 대한 증거의 원천 그 자체가 독립-기원 이론을 손상시키고 있다. 오랜 과거에서 행성간의 상호 오염 가능성은 화성의 생명에 대한 증거를 축적하는 중요한 인자이다. 지구생물체도 우주로 올라가서 수백 만년 후에 돌아와서 지구를 다시 식민지로 만들었을 수 있다. 호일과 위크라마싱은 건조된 대장균의 적외선 스펙트럼이 성간 입자의 것과 닮았다는 점을 인용하고 있다. 10장 우주는 생물친화적인가? 우주의 법칙들은 확률 법칙에 반하여 생명을 부추기도록 교묘하게 설계되어 있다는 논의가 있다. 생명이 필연적이라면 운명의 사건들에도 불구하고 달성해야 할 특별한 목표가 있는 것은 확실하다. 미생물이 우주를 가로질러서 퍼졌다면 진보된 지능을 가진 생명체도 그럴 수 있다. 생명과 우주가 항상 존재하였다는 이론에 논리적인 잘못은 없겠지만 어느 것에 대해서도 전혀 설명을 해주지는 못한다. 필연에 대한 극단적인 예는 결정의 구조이다. 결정은 필연적으로 그들이 가지는 형태를 가진다. 우연의 극단은 핀볼 기계이다. 모노는 생명의 불확실성은 진화의 마구잡이와 무방향성 본질뿐만 아니라 최초로 생명을 만들어낸 물리적 과정에도 적용된다고 주장하였다. 지구에 생 명이 존재하기 때문에 우주 전체에 생명이 흔해야한다는 믿음은 생물학적 결정론 또는 예정설이라고 한다. 1960년대에 펜실베니아 대학의 Gary Steinman과 Marian Cole은 아미노산이 마구잡이로 펩티드 사슬을 형성하는지 시험하였다. 그들은 고수준의 조직화에서 선호되는 상호작용이 관찰되고, 어떤 유형의 내장된 예정이 생물학적 질서의 여러 수준에서 확인될 수 있다고 주장하였다. Sidney Fox도 아미노산들은 축합되면 스스로 순서를 결정한다고 하였다. Cyril Ponnamperuma도 합성을 지시하는 것으로 보이는 성질이 원자와 분자에 고유하게 존재한다고 믿었다. 원자 과정이 생물체에 유리한 내장된 편향성을 가진다고 주장하는 것은 원자물리학 법칙이 효과적으로 생명의 청사진을 포함하고 있음을 의미한다. 게놈은 다소간 무작위한 염기쌍 서열이며 바로 이 무작위성이 게놈이 진화할 수 있고 정보가 풍부한 분자역할을 하려면 필수적이라고 지거한다. 법칙은 자료를 알고 알고리듬적으로 압축하는 방법이며 겉으로 보이는 복잡성을 간단한 식이나 과정으로 요약하는 것이다. 어떤 간단한 법칙도 홀로 무작위한 정보가 풍부한 거대분자를 질서있게 만들 수는 없다. 우리가 아는 자연법칙은 생물학적 정보를 만들어 내지 않을 것이며, 보통의 법칙은 단지 입력 자료를 출력 자료로만 변환한다. 생명은 화학의 방향성에 굴복함으로써가 아니라 화학적으로 그리고 열역학적으로 자연스러운 것을 회피함으로써 그 마술을 작동한다. 화학반응이 쉽고 열역학적으로 유리하다면 생명은 기꺼이 그것을 이용하지만, 생명이 부자유스러운 화학의 수행을 필요로 한다면 그것은 방법을 찾는다. 그것은 열역학적 기울기에 거슬러서 추진하기 위하여 이상한 반응을 진행하는데 필요한 촉매를 만들고 때로는 복잡한 조합을 이루어서 적절한 에너지를 가진 분자를 만든다. 생명의 비밀은 화학적 편향성에 있는 것이 아니라 이용하는 논리와 정보 규칙에 있다. 프랙탈은 무한하게 불규칙적이고 복잡하게 보이지만 실제로는 자기유사성이라고 하는 간단한 수학적 성질을 가진다. 만텔브로세트는 매우 간단한 알고리듬에 의하여 컴퓨터로 만들 수 있다. 드두브는 우연이 역할을 하지만 예정된 목표로서 생명을 갖추고 전체적인 방향성을 강요하는 여러가지 물리적 제약에 의하여 우연은 조절된다고 생각한다. 카우프만은 복잡계의 예상된 총체적 성질은 그것을 표현하는 방법이다. 그는 생명에 이르는 경로는 많으며, 그 기원은 심오하지만 단순하다고 말한다. 무작위적 복잡성과 특이성이 함께 발생하는 것이 가능할까. 많은 연구자들은 복잡계의 행동 방법을 지배하는 보편적인 수학적 원리가 존재한다는 결론에 도달하였다. 이런 법칙은 물리학의 기본법칙들로부터 유도될 수 없는데, 보통 의미에서는 물리학 법칙이 아니기 때문이다. 어떤 종류의 자기조직적인 물리적 과정이 어떤 복잡성의 문턱값 이상에서 물리적 계를 발생시킬 수 있기 때문에 계의 복잡성을 갑자기 증가시키는 일련의 전이가 될 것이다. 물리학 법칙이 단순히 주위 정보를 섞는데 비하여 복잡성 법칙은 실제로 정보를 창조하거나 최소한 그것을 환경으로부터 캐내서 물질 구조에 새겨 넣는다. 이러한 세계관에서는 힘은 물질의 무반응성 입자들 사이에서 작용하고 정보는 이차적인 유도 개념으로 취급된다. 정보는 물질이 물리학적 힘들에 의하여 돌아다닐 수 있는 것과 똑같은 방법으로 정보력에 의하여 교환될 수 있는 실제 물리량이라는 것을 수용하는 것이다. 나는 정보법칙 작용 아래서만 유전 암호와 결합된 정보 통로 또는 소프트웨어 조종이 등장할 수 있었다고 믿는다. 우리가 정보의 기원을 가져오는 자연 법칙인 알고리듬을 발견하는 것이 임무이다(아이겐). 우연만으로 작은 복제 분자를 비교적 빠르게 생성할 수 있었다는 것을 알게 되었다. 진화에서 진보는 때때로 특이성과 정보를 제공해 주는 조직화 원리에 의하여 도움을 받거나 심지어 무시될 수 있다. 의미심장하게도 파동은 정보나 소프트웨어로 확인될 수 있는데 그것이 계에 대하여 알려진 것을 나타내기 때문이다. 양자역학에서는 일종의 하드웨어-소프트웨어 얽힘이 존재한다. 정보 또는 지식은 하향식 힘을 가진다. 단백질이나 핵산같은 생물학적 분자를 형성하는 원자간 힘은 실제로 그 본질이 양자역학적이다. 슈뢰딩거는, 유전의 단위는 비주기적 결정이라고 제안하였다. 이것을 통해서 거대분자 구조는 그 형태를 유지할 수 있도록 충분히 안정되지만 많은 정보를 간직할 수 있도록 매우 복잡하다. DNA 분자는 구조적 안정성을 가진다. 염기 서열이 대부분 무작위적이기 때문에 비주기성이 생겨나고 따라서 정보가 풍부하다. 준결정은 이상한 5겹 대칭을 가지고 있고 72도씩 회전하면 똑같게 보인다. 5겹 대칭은 간단한 반복 무늬를 가지지 못하지만, 펜로즈는 무한한 벽이 뚱뚱한 것과 가는 마름모꼴의 두 가지 다른 모양의 타일을 사용하여서 5겹 대칭으로 바둑판 모양을 빈틈없이 붙일 수 있다는 것을 증명하였다. 준결정은 천연적으로 존재하는 펜로즈타일 유형의 삼차원적 유사물이다. 준결정은 옳은 조각을 옳은 자리에 학실하게 맞추기 위하여 어떤 종류의 장거리 조직화를 필요로 한다. 준결정은 5겹 대칭 때문에 배열에는 저장된 정보가 거의 없지만 비주기적 선형 서열 안에는 무제한의 정보를 가진다. 인간에게는 적당히 잘 발달한 시각이나 청각보다도 지능이 어떤 절대적인의미에서 더 좋은 것일까. 생명은 번성하게 내버려두면 이용가능한 곳을 채우고, 새롭고 더 나은 가능성을 탐험하고 항상 더 정교한 형태를 발달시키며 성장의 에스컬레이터를 탄다. 어두운 동굴에 살면서 눈의 사용을 잃어버린 물고기처럼 많은 생물체들은 시간이 지남에 따라 덜 복잡해지도록 성장한다. 좋은 조건에서 RNA는 더 빨리 복제하기 위하여 원래의 바이러스 크기의 조각으로 자신을 줄여간다. 생명은 간단한 미생물로부터 시작되었다. 그것이 어느 쪽으로 가더라도 그것은 필연적으로 더 복잡성이 큰 방향으로 가게 될 것이다. 한 생물체가 살아있으면서도 가질 수 있는 단순성의 정도에는 한계가 있다. 그것이 굴드의 벽이다.## 스티븐 제이 굴드 작 풀하우스에서 4할대 타자가 사라진 것을 보라## 선택은 환경에 덜 유리하게 적응된 그런 생물들을 여과해 내고 더 잘적응된 것들에게는 보상을 주어서 필연적으로 더 잘 적응된 방향의 경향을 유도한다. 그러나 더 잘 적응되는 것은 복잡성 증가를 포함할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 의식은 자연의 법칙에 근본적인 방법으로 쓰여져 있다고 암시한다. 지구상에서 생명의 역사는 승리자보다는 실패자가 훨씬 더 많은 어마어마한 복첨이었다.